Page 31 - 精细化工2019年第10期
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第 10 期 戴书刚，等: 金刚石/铜高导热复合材料制备工艺的研究进展 ·1997·
1.2 高温高压烧结法 保温时间为 20 min 的条件下，制备出的材料热导率
高温高压烧结法是在短时间下，利用较高的温 在 310~320 W/(m·K)内，随着金刚石粒径的减小，
度以及高压的作用，对金刚石和铜的混合粉体进行 材料相对密度略有下降，材料热导率先升高后降低，
烧结，可以得到致密度较高、性能较好的复合材料。 布氏硬度升高。
在金刚石/铜复合材料的研究中，高温高压烧结法使 Yoshida 等 [20] 将不同粒径的金刚石粉末与铜粉
用十分广泛，其优点是获得的复合材料致密度高， 混合，并在混合过程中控制金刚石与铜的体积比，
并且制备耗费时间较短，效率高。但是，这种方法 在 1150~1200 ℃、4.5 GPa 的高温高压条件下成功制
所制备材料的优越性能是依靠苛刻的制备条件得到 备出金刚石/铜复合材料。当金刚石粒径为 90~110 μm、
的，成本较为高昂。图 2 是高温高压烧结法制备金 体积分数为 70%时，复合材料热导率达到 742 W/(m·K)。
刚石/铜研究中常用的六面顶压机。 不同金刚石体积分数和粒径的复合材料的热导率数
值模拟结果与实验结果见图 3。Yoshida 等人发现，
复合材料的导热系数与金刚石的体积分数和金刚石
颗粒大小有关，并且当金刚石体积分数较大时，实
际热导率要高于 Hasselman 方程计算的理论值，认
为这与高温高压条件下金刚石颗粒紧密聚集成团并
且金刚石间连接成键的现象有关。
图 2 高温高压烧结常用的六面顶压机装置 [16]
Fig. 2 Hexahedral top press device commonly used in high
temperature and high pressure sintering [16]
刘秋香等 [17] 将表面预镀 Ti 的金刚石与铜粉均
匀混合后进行高温高压烧结，侧重研究了烧结温度、
压力及保温时间等因素对复合材料性能的影响。当
金刚石体积分数为 50%，烧结压力为 5 GPa，烧结
温度为 1200 ℃并保温 10 min 时，复合材料的热导
图 3 不同金刚石体积分数和粒径的复合材料的热导率
率最高，为 240 W/(m·K)，并且发现在烧结过程中 数值模拟结果与实验结果的比较 [20]
金刚石并未发生石墨化。该研究制成的复合材料致 Fig. 3 Comparison of numerical simulation results and
密度均达 96%以上，金刚石体积分数为 65%、烧结 experimental results of thermal conductivity of
composite materials with different diamond volume
温度为 1300 ℃时致密度更是高达 98.8%，但是材料 fraction and particle size [20]
的热导率都不是特别高。
夏扬等 [18] 将金刚石与添加剂铜、钴混合并进行 综上所述，采用高温高压条件制备的金刚石/
预处理后，采用高温高压烧结制备出复合材料，在 铜复合材料热导率的差距很大，苛刻的烧结条件并
烧结温度为 1200 ℃，烧结压力为 8 GPa，烧结时间 不一定带来优良的导热性能。高温高压有助于提高
为 9 min 的条 件下，样品 的最高热导 率达 到 材料的致密度，但是并不能完全解决金刚石与铜结
639 W/(m·K)。他们发现，复合材料的热导率随金刚 合困难的问题，界面间仍然存在的细微孔隙会大大
石粒径的增大先升高后降低，存在一个临界粒径约 损害导热性能。另外值得关注的是，高温高压条件
为 80 m，复合材料的热导率达到峰值。张文凯等 [19] 下金刚石间直接连接成键的现象可以带来超高的热
采用高温高压烧结法制备了镀 Cr、Ti 膜金刚石/铜复 导率。
合材料，在烧结压力为 4~5 GPa，烧结温度为 1.3 放电等离子烧结法
1300 ℃，保温时间为 10 min 的烧结参数下，镀 Cr 放电等离子烧结（Spark Plasma Sintering，SPS）
和镀 Ti 金刚石/铜复合材料最高热导率分别达到 325 是近年发展出的一种新型材料制备方法，可使粉末
和 323 W/(m·K)。 颗粒在低于熔点的温度下快速致密化，其主要工艺
胡美华等 [16] 将 Cu 与金刚石按 7∶3 的体积比混 是向粉末颗粒通入脉冲电流并施加一定压力，通过
合预压，然后组装放入六面顶压机内进行高温高压 火花放电瞬间产生的等离子体均匀加热颗粒，进而
烧结，在烧结压力为 4.5 GPa、烧结温度为 1000 ℃、 使颗粒表面活化，实现超快速致密化烧结，具有烧
